諧振型電光相位調(diào)制及光電探測(cè)功能器件的研發(fā)及應(yīng)用*

田龍 鄭立昂 張曉莉 武奕淼 王慶偉 秦博 王雅君3) 李衛(wèi)3) 史少平3) 陳力榮3) 鄭耀輝3)?

1) (山西大學(xué)光電研究所,量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)

2) (山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院,太原 030006)

3) (山西大學(xué),極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,太原 030006)

針對(duì)極微弱信號(hào)提取及探測(cè)需求,研發(fā)高調(diào)制深度、低功耗、低半波電壓的諧振型電光相位調(diào)制(RPM)以及微瓦級(jí)、高信噪比諧振型光電探測(cè)(RPD)功能器件.基于單端楔角鈮酸鋰晶體、低噪聲光電二極管及低損高Q 電子元件組成諧振電路,利用諧振增強(qiáng)原理實(shí)現(xiàn)低功耗、高調(diào)制深度電光調(diào)制及高增益光電探測(cè)等;所研發(fā)的RPM 在最佳調(diào)制頻點(diǎn)為10.00 MHz 時(shí),帶寬為225 kHz,Q 值為44.4,調(diào)制深度為1.435 時(shí)所需射頻驅(qū)動(dòng)電壓峰值為8 V;RPM 在最佳調(diào)制頻點(diǎn)為20.00 MHz 時(shí),帶寬為460 kHz,Q 值為43.5,調(diào)制深度為1.435時(shí)所需射頻驅(qū)動(dòng)電壓峰值為13 V;將自研的RPD 最佳探測(cè)頻點(diǎn)調(diào)節(jié)為20.00 MHz,帶寬為1 MHz,Q 值為20,增益為80 dB@100 μW;利用自研RPM 和RPD 組成極微弱信號(hào)提取鏈路,在500 mV 峰值電壓驅(qū)動(dòng)RPM下(調(diào)制深度約為0.055),可實(shí)現(xiàn)直接輸出誤差信號(hào)信噪比為5.088@10 μW,34.933@50 μW 以及58.7@100 μW.極微弱信號(hào)提取鏈路經(jīng)過比例積分微分參數(shù)優(yōu)化提升整個(gè)反饋控制環(huán)路性能及穩(wěn)定性,為制備高穩(wěn)定量子光源及超穩(wěn)激光等領(lǐng)域提供關(guān)鍵器件及技術(shù)途徑.

1 引言

光電功能器件是指具有特定的光學(xué)、電學(xué)及光電相互轉(zhuǎn)換效應(yīng)的器件,是現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的支柱之一[1].電光調(diào)制器及光電探測(cè)器是非常重要的光電功能器件,是鎖定反饋、光電信息轉(zhuǎn)化、光通訊、光電信息調(diào)制等領(lǐng)域中的關(guān)鍵器件,尤其在PDH (Pound-Drever-Hall)穩(wěn)頻鎖定技術(shù)中發(fā)揮不可替代的作用[2].PDH 技術(shù)廣泛應(yīng)用于大科學(xué)裝置前沿研究、量子光學(xué)、光通信等領(lǐng)域[3-6];利用電光相位調(diào)制器[7]進(jìn)行激光相位調(diào)制是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)PDH 穩(wěn)頻鎖定的首要過程,光電探測(cè)則可將攜帶的微弱調(diào)制信號(hào)及譜峰信號(hào)等信息進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化為電信號(hào),后續(xù)經(jīng)過比例積分微分等電路進(jìn)行反饋控制,以便實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖定及穩(wěn)頻等目標(biāo).

鈮酸鋰(LiNbO3)晶體以其較高的電光系數(shù)已經(jīng)在光學(xué)器件[8]、各種電光調(diào)制器[9,10]、脈沖激光系統(tǒng)光譜整形[11]、量子光學(xué)等方面應(yīng)用廣泛.傳統(tǒng)商用寬帶電光調(diào)制器將驅(qū)動(dòng)電壓直接加載在電光晶體兩端,以實(shí)現(xiàn)電光相位或振幅調(diào)制等[7],這種調(diào)制器半波電壓(Vπ)較高,調(diào)制深度較低且需要較高驅(qū)動(dòng)電壓.在制備超穩(wěn)激光以及超窄線寬激光等場(chǎng)合中需要將激光鎖定在超穩(wěn)腔上[12-15],由于超穩(wěn)腔的精細(xì)度較高,一般在十幾萬以上,這就需要注入超穩(wěn)腔的光功率極低,一般為微瓦量級(jí)以下,同時(shí)需要電光相位調(diào)制器具有較高調(diào)制深度以得到高信噪比(SNR)的誤差信號(hào)用于鎖定,然而,電光相位調(diào)制中的剩余振幅調(diào)制一直是影響超穩(wěn)激光穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一.2016 年,Li 等[16]利用單端楔形LiNbO3晶體分離不同偏振出射激光,可以有效抑制剩余振幅調(diào)制,提高量子光源穩(wěn)定性;同年,Tai 等[17]利用布魯斯特角切割的電光調(diào)制晶體抑制剩余振幅調(diào)制,制備了超穩(wěn)激光;2019 年,Zhi 等[18]利用聲光相互作用理論解釋剩余振幅調(diào)制產(chǎn)生機(jī)理,并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同形狀電光晶體抑制剩余振幅調(diào)制的效果;Dooley[19]通過在雙端切角的晶體上分區(qū)域施加電壓抑制電光相位調(diào)制中的剩余振幅調(diào)制;雖然使用不同形狀晶體及改變施加射頻信號(hào)方式可達(dá)到抑制剩余振幅調(diào)制的目的,但沒有諧振回路時(shí),其Vπ較高,無法達(dá)到較高調(diào)制深度,使得其在極微弱光鎖定超高精細(xì)度超穩(wěn)腔以及制備更低頻率噪聲激光等方面受限.為解決上述問題,德國(guó)Qubig 公司研發(fā)了諧振型電光調(diào)制器,Vπ為4.2 V@780 nm,Q值為76,諧振頻率為20 MHz,為超穩(wěn)激光等領(lǐng)域提供關(guān)鍵器件[20].然而,雙端楔角晶體需要仔細(xì)校準(zhǔn)入射光方向以便實(shí)現(xiàn)較好抑制剩余振幅調(diào)制的效果.但輸入端平行且輸出端楔角的晶體對(duì)激光入射角要求并不嚴(yán)格,便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn).另外,環(huán)境溫漂是產(chǎn)生剩余振幅調(diào)制的另一個(gè)主要影響因素,2022 年,Zheng 等[21]發(fā)明一種溫控集成的共振調(diào)制器,但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中存在一定的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗環(huán)境干擾能力差、性能不穩(wěn)定等因素;在主動(dòng)控制方面,Shi 等[14]將國(guó)外商用電光調(diào)制器進(jìn)行主動(dòng)溫控,可獲得較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,在1000 s的平均時(shí)間以內(nèi),剩余幅度調(diào)制的影響小于1×10—15.所以,研發(fā)高調(diào)制深度、低功耗、低Vπ的電光相位調(diào)制器,并進(jìn)行全面評(píng)估可為制備超穩(wěn)激光光源、超低噪聲激光、量子光源等提供關(guān)鍵器件,推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)性能提升.

此外,光電探測(cè)器可將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),廣泛應(yīng)用于各種光電信息科學(xué)中,不同的科學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)探測(cè)器的需求不同,在地基引力波探測(cè)中,可承受高功率的多光電管陣列探測(cè)器可以為光電反饋降噪提供更低散粒噪聲基準(zhǔn)及更高反饋增益[22,23];在制備連續(xù)變量量子光源方面,需要高增益高共模抑制比的平衡零拍探測(cè)器[24-26];在離散變量量子光源制備及應(yīng)用中需要單光子探測(cè)器進(jìn)行光子數(shù)符合計(jì)數(shù)來評(píng)估光源指標(biāo)性能[27,28];在制備超穩(wěn)激光等領(lǐng)域,光電探測(cè)器是PDH 穩(wěn)頻鎖定中提取微弱相位調(diào)制信號(hào)的首要器件,需要其在較低輸入功率下有較高響應(yīng)增益[29],其作為第一級(jí)信號(hào)采集器件,其噪聲及增益性能直接影響后續(xù)光電反饋的最終效果.在PDH 技術(shù)中只需要探測(cè)特定相位調(diào)制頻率的信號(hào),然而,傳統(tǒng)商用探測(cè)器都具有一定帶寬,受集成芯片增益帶寬積的影響,探測(cè)器的探測(cè)帶寬和高增益是互相限制的兩個(gè)因素,高增益往往帶來電子學(xué)噪聲的抬高,惡化誤差信號(hào)噪底,對(duì)進(jìn)行高精度反饋鎖定具有一定不利因素;諧振型探測(cè)器只針對(duì)特定頻率有較高探測(cè)增益,同時(shí)抑制其他頻段噪聲影響,為高信噪比高增益反饋控制提供解決方案[30,31].2007 年,Grote[32]針對(duì)地基引力波探測(cè),利用電感電容諧振原理,研制出對(duì)特定頻段有較高探測(cè)增益且能抑制其他頻段噪聲的諧振型探測(cè)器;2016 年,Chen 等[33]利用光電二極管和可調(diào)電感組成諧振電路,實(shí)現(xiàn)探測(cè)頻率58.6 MHz,Q值為90 的諧振型探測(cè)器;之后該課題組[34]利用變壓器結(jié)構(gòu)的電感和光電二極管組成諧振電路,實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)、低噪聲、高Q值的諧振型探測(cè)器,其等效電子學(xué)噪聲(NEP)為4.7 pA/Hz1/2@34.5 MHz,其頻譜增益為12 dB@1.35 mW;2019 年,Bowden等[31]實(shí)現(xiàn)了探測(cè)頻率為90 MHz,等效電子學(xué)噪聲為3.5 pW/Hz1/2、增益為11.9 dB@200 μW 的諧振型探測(cè)器.上述諧振探測(cè)器都位于相對(duì)高頻段進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì),可應(yīng)用于鎖定線寬在兆赫茲以上的光學(xué)參量腔、模式清潔腔以及光場(chǎng)相對(duì)位相等方面;針對(duì)超穩(wěn)激光等領(lǐng)域,仍需發(fā)展微功率高增益低頻段諧振型光電探測(cè)技術(shù).

本文針對(duì)PDH 鎖定反饋回路中高調(diào)制深度電光相位調(diào)制及極微弱光電信號(hào)探測(cè)需求,基于單端楔角LiNbO3晶體及低損高Q電子元件組成諧振電路,利用諧振增強(qiáng)原理放大加載在晶體兩端射頻信號(hào)幅值,實(shí)現(xiàn)低功耗及高調(diào)制深度;基于主動(dòng)溫控增加調(diào)制器穩(wěn)定性,研發(fā)高調(diào)制深度、低功耗、低Vπ及低剩余振幅調(diào)制的諧振型電光相位調(diào)制功能器件;進(jìn)一步,針對(duì)特定調(diào)制頻率,基于可微調(diào)電感及光電二極管組成諧振電路,通過精細(xì)電路布局消除原電路中內(nèi)部混頻電路部分帶來的雜散寄生電容等因素的影響,進(jìn)一步降低電子學(xué)噪聲,研究不同Q值電感器件、不同暗電流光電二極管噪聲對(duì)諧振型光電探測(cè)的電子學(xué)噪聲及增益的影響關(guān)系,并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀、誤差信號(hào)峰峰值及信噪比對(duì)諧振型光電探測(cè)進(jìn)行多維評(píng)估;實(shí)現(xiàn)了從諧振型電光調(diào)制及諧振型光電探測(cè)兩方面對(duì)PDH 鎖定反饋回路性能優(yōu)化,為制備高穩(wěn)定量子光源及超穩(wěn)激光提供關(guān)鍵器件及技術(shù)途徑.

2 諧振型光電功能器件的原理及設(shè)計(jì)

電感(L)電容(C)串聯(lián)諧振增強(qiáng)電路利用電容電感之間能量傳遞可以實(shí)現(xiàn)選頻網(wǎng)絡(luò),典型串聯(lián)諧振回路如圖1 所示,其中R0通常指的是電感線圈以及電容的總損耗.

圖1 典型串聯(lián)諧振回路Fig.1.Typical series resonant circuit.

串聯(lián)諧振回路的諧振頻率w和Q值分別可表示為[35]

此外,Q值也正比于諧振回路存儲(chǔ)能量與每周期消耗能量比值[35],所以降低回路中器件損耗可以提高Q值.

對(duì)于給定器件,溫度會(huì)引起電感值和電容值的變化,變化率分別為ΔL/℃和ΔC/℃,則對(duì)于w的溫度特性可由變分方法得到:

所以對(duì)于Q值較高的諧振回路需要進(jìn)行主動(dòng)控溫以實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定性.

然而實(shí)驗(yàn)上受器件不穩(wěn)定性、不同諧振環(huán)路類型、諧振回路后續(xù)放大電路等影響,一般還可以根據(jù)測(cè)量傳輸函數(shù)進(jìn)行Q值測(cè)量[35],可表示為

其中BW3dB為諧振峰值降低3 dB 的帶寬.

電光調(diào)制晶體在外加電場(chǎng)調(diào)制時(shí),其晶體內(nèi)部束縛電荷受電場(chǎng)作用后可重新分布,引起晶體介電常數(shù)變化,使得晶體折射率隨電場(chǎng)調(diào)制發(fā)生變化;當(dāng)激光通過調(diào)制晶體時(shí),激光光場(chǎng)相位特性會(huì)受到晶體折射率變化的影響,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的相位調(diào)制;利用兩塊光軸呈90°夾角的電光調(diào)制晶體,可實(shí)現(xiàn)激光的振幅調(diào)制.

以相位調(diào)制為例,激光頻率為ν0,電場(chǎng)調(diào)制頻率為w0,激光經(jīng)過相位調(diào)制后輸出光場(chǎng)可表達(dá)為

其中Jn(β)由貝塞爾函數(shù)決定,β為調(diào)制深度.由(4)式可知,經(jīng)過相位調(diào)制后輸出光場(chǎng)的頻譜是由頻率為ν0的載波頻率成分和它兩邊對(duì)稱分布頻率為ν0±nw0的無窮多對(duì)邊帶頻率成分共同組成,各相鄰邊帶頻率成分之間的頻率間隔是w0,各邊帶頻率成分幅度的相對(duì)比例由Jn(β)決定,光強(qiáng)比例由|Jn(β)|2決定,|Jn(β)|2隨著調(diào)制深度β的關(guān)系如圖2 所示,當(dāng)主峰|J0|2降低到50%時(shí),對(duì)應(yīng)調(diào)制深度1.126;當(dāng)主峰|J1|2,|J—1|2和|J1|2相等時(shí),對(duì)應(yīng)調(diào)制深度1.435.

圖2 貝塞爾函數(shù)隨調(diào)制深度變化關(guān)系圖Fig.2.Diagram of Bessel function with modulation depth.

當(dāng)加載到電光晶體兩端的電壓增大到足以使輸出激光產(chǎn)生λ/2 的光程差時(shí),對(duì)應(yīng)的位相差為 π,此時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓峰值稱之為Vπ,對(duì)應(yīng)相位調(diào)制的調(diào)制深度為2.4;對(duì)于傳統(tǒng)寬帶調(diào)制器,調(diào)制電壓直接加載在晶體兩端,Vπ可表達(dá)為

其中,λ為激光波長(zhǎng),γ33為電光晶體的電光系數(shù),d為電光晶體的厚度,l為電光晶體的長(zhǎng)度;對(duì)于LiNbO3晶體,未施加電場(chǎng)時(shí),尋常光o 光和非尋常光e 光的折射率分別為no=2.232@1064 nm和ne=2.156@1064 nm,當(dāng)晶體長(zhǎng)度為40 mm時(shí),經(jīng)計(jì)算可得Vπ為258 V[31],對(duì)于同樣的電光調(diào)制器,激光波長(zhǎng)越大對(duì)應(yīng)的半波電壓越大.

當(dāng)電光調(diào)制晶體兩端加載電壓時(shí),晶體相當(dāng)于一個(gè)電容,當(dāng)匹配合適阻抗電路時(shí)可實(shí)現(xiàn)高效率加載調(diào)制信號(hào)[36].以簡(jiǎn)單的LC 諧振回路計(jì)算,加載到電容兩端的電壓可表示為

所以,通過諧振阻抗電路可以增強(qiáng)加載到晶體兩端的電壓幅值,等效降低Vπ.

此外,對(duì)于電光相位調(diào)制,抑制其中的剩余振幅調(diào)制(RAM)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定反饋控制的重要因素,RAM 的大小與電光晶體中自然雙折射效應(yīng)引起的相位差 Δφ有重要關(guān)系[36],對(duì)于LiNbO3晶體,其o 光和e 光折射率會(huì)隨著環(huán)境溫度變化,具體表達(dá)式為

其中,T為晶體溫度,λ為激光波長(zhǎng).由(7)式可知,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),電光晶體引起的相位差 Δφ會(huì)隨之變化,最終引起反饋控制誤差信號(hào)零基線的漂移,產(chǎn)生RAM;對(duì)于諧振型電光調(diào)制器,溫度影響尤其嚴(yán)重,需要對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)溫控以保證最佳調(diào)制頻率點(diǎn)以及降低RAM.

對(duì)于諧振型光電探測(cè),基于光電二極管固有結(jié)電容,結(jié)合可調(diào)低損電感器件,形成LC 諧振電路,增強(qiáng)對(duì)特定調(diào)制頻率極微弱光電調(diào)制信號(hào)的高增益探測(cè),進(jìn)一步通過變壓器型諧振電路可降低探測(cè)器電子學(xué)噪聲并增大探測(cè)增益.針對(duì)超穩(wěn)激光、高穩(wěn)定時(shí)頻傳輸?shù)雀呔忸I(lǐng)域,研究不同光敏面的光電管、不同Q值電感對(duì)諧振型光電探測(cè)的Q值、探測(cè)效率、信噪比、電子學(xué)噪聲的影響,并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀以及誤差信號(hào)信噪比可對(duì)諧振型光電探測(cè)進(jìn)行多維評(píng)估.

3 實(shí)驗(yàn)裝置、過程及結(jié)果分析

利用模式清潔腔(MC)的誤差信號(hào)及反饋鎖定環(huán)路,可對(duì)諧振型電光相位調(diào)制器(resonant electro-optic phase modulator,RPM)及諧振型光電探測(cè)器進(jìn)行全鏈路評(píng)估,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 所示.

圖3 諧振光電器件測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置圖(Laser 為全固態(tài)激光器;OI 為光隔離器;λ/2 為半波片;PBS 為偏振分束器;RPM 為電光相位調(diào)制器;HR 為高反鏡;OSC 為示波器;MC 為模式清潔器;RPD 為共振探測(cè)器;PD 為光電探測(cè)器;NA 為網(wǎng)絡(luò)分析儀)Fig.3.Experimental setup for testing resonant photoelectric devices (Laser,solid-state laser;OI,optical isolator;λ/2,half-waveplate;PBS,polarization beam splitter;RPM,resonant electro-optic phase modulator;HR,high reflective mirror;OSC,oscilloscope;MC,mode cleaner;RPD,resonant photodetector;PD,normal photodetector;NA,network analyzer).

根據(jù)諧振原理以及(1a)式可知,當(dāng)形成諧振回路后有最佳諧振調(diào)制頻率點(diǎn)以及最佳光電探測(cè)頻率點(diǎn).首先對(duì)RPM 的最佳調(diào)制頻率進(jìn)行測(cè)量,通過測(cè)量RPM 對(duì)所加載高頻射頻信號(hào)的反射率可知實(shí)際加載到RPM 的射頻信號(hào)大小,即測(cè)量其阻抗匹配特性.當(dāng)RPM 達(dá)到較好阻抗匹配時(shí),射頻信號(hào)均能傳遞至RPM 負(fù)載上,則射頻信號(hào)的反射率較低;當(dāng)調(diào)制器阻抗匹配較差時(shí),射頻信號(hào)傳遞至RPM 負(fù)載上的效率較低,則反射率較大.利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent 4395A),及其阻抗匹配配件(Agilent 43961A)可進(jìn)行阻抗匹配測(cè)量.

選用電光系數(shù)較高的LiNbO3作為電光調(diào)制晶體,其尺寸為40 mm×4 mm×3 mm,通過選擇合適電感,可使得最佳諧振頻率點(diǎn)從幾兆赫茲到幾十兆赫茲變化.選擇兩個(gè)頻率點(diǎn)10.00 MHz 以及20.00 MHz 為例進(jìn)行相關(guān)測(cè)試,將RPM 的輸入調(diào)制端口接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,設(shè)置阻抗分析相關(guān)參數(shù),測(cè)量相關(guān)阻抗特性數(shù)據(jù).

由于諧振電路特性可知,當(dāng)射頻信號(hào)頻率遠(yuǎn)離最佳頻率時(shí),能量轉(zhuǎn)化效率逐步變差,表現(xiàn)在阻抗分析結(jié)果中則為反射率變大,當(dāng)反射率增大到—3 dB 時(shí)的頻率寬度為帶寬,也就是非對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的半高全寬帶寬.最終阻抗分析測(cè)試結(jié)果如圖4所示.圖4 中射頻反射點(diǎn)在10.00 MHz/20.00 MHz處達(dá)到最低,表明調(diào)制器對(duì)射頻信號(hào)的反射率最低,為—47.8 dB/—45.1 dB,表明達(dá)到較好阻抗匹配,射頻信號(hào)加載效率高,也就是說最佳諧振頻率即為10.00 MHz/20.00 MHz,此時(shí)能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最佳.

圖4 自研諧振型電光相位調(diào)制器的阻抗分析測(cè)試結(jié)果圖Fig.4.Input return loss test results of RPM.

當(dāng)調(diào)節(jié)RPM 到最佳調(diào)制頻點(diǎn)為20.00 MHz時(shí),3 dB 帶寬為460 kHz,根據(jù)(3)式可知,Q值為43.5;之后改變RPM 最佳調(diào)制頻點(diǎn)到10.00 MHz,此時(shí)帶寬為225 kHz,Q值為44.4.圖4 中插圖為RPM 實(shí)物圖、內(nèi)部晶體放置方式以及所需激光偏振示意圖.當(dāng)驅(qū)動(dòng)接口朝上放置時(shí),入射激光偏振應(yīng)為P 偏振,出射激光往楔角方向偏移.作為對(duì)比,測(cè)量索雷博商用寬帶相位調(diào)制器(型號(hào)EO-PMNR-C2)的阻抗測(cè)試結(jié)果,如圖4 中橙線,反射率為—0.046 dB,其阻抗匹配效率相對(duì)較低.進(jìn)一步根據(jù)(7)式,高Q值調(diào)制器中電光晶體的折射率等因素隨環(huán)境溫度變化,使得諧振回路器件參數(shù)變化,最終導(dǎo)致RPM 最佳調(diào)制頻率點(diǎn)隨溫度變化.對(duì)所設(shè)計(jì)電光調(diào)制器進(jìn)行主動(dòng)溫控設(shè)計(jì),首先將RPM集成在金屬屏蔽殼內(nèi),之后對(duì)外殼整體溫控,隔離TEC 等器件對(duì)電光調(diào)制的影響,并自研溫度控制模塊,溫控精度為0.005 ℃.

在測(cè)量了最佳調(diào)制頻點(diǎn)后,利用MC 腔對(duì)調(diào)制深度和Vπ進(jìn)行測(cè)量.MC 腔的線寬為2.2 MHz,自由光譜區(qū)為688 MHz.波長(zhǎng)為852 nm 的激光通過調(diào)制器后匹配到MC,通過普通探測(cè)器(PD)對(duì)MC 腔的透射峰進(jìn)行測(cè)量,將信號(hào)源(Keysight 33521A)輸出調(diào)制射頻信號(hào)加載到RPM 上,測(cè)量MC 的透射峰信號(hào)隨射頻信號(hào)幅值變化關(guān)系.根據(jù)(4)式和圖2 可知,當(dāng)調(diào)制深度增大時(shí),MC 透射峰的主載波峰逐步降低,而二階及以上邊帶峰逐步增加.當(dāng)增大加載射頻信號(hào)幅值使得MC 透射峰的主載波峰高度與正負(fù)一級(jí)邊帶峰高度一致時(shí),對(duì)應(yīng)調(diào)制深度為1.435;實(shí)測(cè)自研RPM 的調(diào)制深度隨射頻信號(hào)幅值關(guān)系結(jié)果如圖5 所示;從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,自研RPM 諧振頻率為10.00 MHz 的RPM在峰值為8 V 射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)下調(diào)制深度為1.435,即主峰高度和邊帶高度一致,對(duì)應(yīng)Vπ為13.38 V@852 nm@10 MHz;對(duì)于諧振頻率為20.00 MHz 時(shí),RPM 在峰值為13 V 射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)下調(diào)制深度為1.435.進(jìn)一步根據(jù)(5)式可知調(diào)制器的Vπ和激光波長(zhǎng)成正比,對(duì)于10 MHz 最佳調(diào)制頻點(diǎn)時(shí),如果激光波長(zhǎng)分別為671,795,1064 nm 時(shí),達(dá)到1.435調(diào)制深度時(shí)所需驅(qū)動(dòng)電壓峰值分別為6.34,7.5,10.4 V,分別對(duì)應(yīng)于圖5 中藍(lán)線、紫線和紅線.所以對(duì)于Vπ的測(cè)量需要指出其適用激光的波長(zhǎng),波長(zhǎng)越大則Vπ越大.

圖5 調(diào)制器調(diào)制深度隨驅(qū)動(dòng)電壓變化測(cè)試結(jié)果圖Fig.5.The test results of modulator debugging depth as a function of driving voltage.

其次,同樣利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)諧振型光電探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試.入射激光經(jīng)過振幅調(diào)制器(EOAM)后入射到RPD 上,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀4395A 產(chǎn)生的內(nèi)部參考信號(hào)經(jīng)過功分后,一路加載到EOAM上,另一路作為網(wǎng)分的參考信號(hào),設(shè)定4395A 掃頻范圍為0—50 MHz.RPD 將振幅調(diào)制后的激光光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),接入到4395A 的信號(hào)輸入端(A 端),可得到諧振型光電探測(cè)器的傳輸函數(shù),詳細(xì)過程可參見參考文獻(xiàn)[19-23].

選用JDSU 公司光電二極管(ETX500)[34,37],在匹配合適電感值后,RPD 的最佳增益點(diǎn)為20.00 MHz,其傳輸函數(shù)隨入射光功率的變化曲線如圖6 所示.同樣作為對(duì)比,測(cè)試了Thorlabs 公司型號(hào)為FPD510 探測(cè)器的傳輸函數(shù);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在100 μW 激光入射時(shí),自研RPD 的增益為80 dB,FPD510 的增益為60 dB.

圖6 自研諧振型光電功能器件(a)與商用探測(cè)器(b)的傳輸信號(hào)測(cè)試圖Fig.6.The test result of transmission signal of self-innovate resonant photoelectric devices (a) and commercial detector (b).

通過對(duì)RPM 及RPD 的單獨(dú)測(cè)試,可對(duì)各自性能進(jìn)行全面評(píng)估,進(jìn)一步,通過MC 腔誤差信號(hào)的信噪比和峰峰值對(duì)RPM 及RPD 組成的極微弱信號(hào)提取鏈路進(jìn)行測(cè)試.

模式清潔腔的反射光入射到RPD 中,經(jīng)過同頻射頻信號(hào)解調(diào)后生成的誤差信號(hào),改變射頻信號(hào)相位使得誤差信號(hào)對(duì)稱,利用示波器記錄優(yōu)化好的誤差信號(hào),在一個(gè)周期內(nèi)誤差信號(hào)的最大值和最小值之間差值定義為誤差信號(hào)峰峰值.誤差信號(hào)的信噪比定義為誤差信號(hào)峰峰值和零基線值的比值.對(duì)自研RPD 和全商用兩種情況進(jìn)行對(duì)比測(cè)試: 自研RPM 及RPD 組成的鏈接測(cè)試與Thorlabs 寬帶調(diào)制器和FPD510 組成的鏈路測(cè)試.自研諧振器件鏈路中固定RPM 的調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值為0.5 V,調(diào)制深度為0.055;全商用鏈路中固定RPM 的調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值為8 V,調(diào)制深度約為0.055.誤差信號(hào)混頻中解調(diào)正弦信號(hào)的電壓幅值為2—3 V,以峰峰值達(dá)到最大為止,混頻后低通截止頻率都為100 kHz.

實(shí)測(cè)MC 腔的直接解調(diào)誤差信號(hào)信噪比和峰峰值測(cè)試結(jié)果如圖7 所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)入射探測(cè)器激光為10 μW 時(shí),FPD510 的誤差信號(hào)峰峰值為1.051 mV,信噪比為1.612,自研RPD 的誤差信號(hào)峰峰值為6.299 mV,信噪比為5.088;當(dāng)入射探測(cè)器激光為50 μW 時(shí),FPD510 的誤差信號(hào)峰峰值為16.97 mV,信噪比為24.59,自研RPD的誤差信號(hào)峰峰值為39.58 mV,信噪比為34.933;當(dāng)入射探測(cè)器激光為100 μW 時(shí),FPD510 的誤差信號(hào)峰峰值為25.06 mV,信噪比為34.8,自研RPD的誤差信號(hào)峰峰值為76.07,信噪比為58.7.

圖7 MC 腔誤差信號(hào)的信噪比和峰峰值測(cè)試結(jié)果圖Fig.7.The test results of signal to noise ratio and peak-to-peak of MC cavity error signal.

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 在性能方面,自研諧振型光電功能器件在探測(cè)微弱調(diào)制信號(hào)及解調(diào)出高信噪比誤差信號(hào)方面有優(yōu)勢(shì);在所需材料及產(chǎn)業(yè)鏈方面,自研諧振型光電調(diào)制器所需元件均為國(guó)產(chǎn),產(chǎn)業(yè)鏈自主可控且成本相對(duì)國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品較低,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域空白;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,具有小型化、定制集成化及模塊化等優(yōu)勢(shì),可集成到諸如量子光源、穩(wěn)頻模塊、光電反饋等場(chǎng)景中.需要指出的是,誤差信號(hào)的峰值大小及信噪比還和調(diào)制深度、激光光強(qiáng)以及腔線寬等因素有關(guān),所以固定其他因素后才進(jìn)行相關(guān)對(duì)比實(shí)驗(yàn),另外在實(shí)際鎖定及穩(wěn)頻中需將探測(cè)器解調(diào)低通后的誤差信號(hào)進(jìn)一步輸入到比例積分微分器中進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,之后用于鎖定.

4 結(jié)論與展望

針對(duì)極微弱信號(hào)提取及探測(cè)需求,研發(fā)高調(diào)制深度、低功耗、低Vπ的諧振型電光相位調(diào)制功能器件以及微瓦級(jí)、高信噪比諧振型光電探測(cè)功能器件.基于方便調(diào)節(jié)的單端楔角LiNbO3晶體、低噪聲光電二極管及低損高Q電子元件組成諧振電路,利用諧振增強(qiáng)原理實(shí)現(xiàn)低功耗、高調(diào)制深度及高增益光電探測(cè)等;所研發(fā)的RPM 在最佳調(diào)制頻點(diǎn)為10.00 MHz 時(shí),帶寬為225 kHz,Q值為44.4,調(diào)制深度為1.435 時(shí)所需射頻驅(qū)動(dòng)電壓峰值為8 V;RPM在最佳調(diào)制頻點(diǎn)為20.00 MHz 時(shí),帶寬為460 kHz,Q值為43.5,調(diào)制深度為1.435 時(shí)所需射頻驅(qū)動(dòng)電壓峰值為13 V;自研的RPD 最佳探測(cè)頻點(diǎn)為20.00 MHz,帶寬為1 MHz,Q值為20,增益為80 dB@100 μW.

進(jìn)一步,利用自研RPM 和RPD 組成極微弱信號(hào)提取鏈路: 微弱激光首先經(jīng)過RPM 將相位調(diào)制射頻信號(hào)加載到激光上,帶有相位調(diào)制的激光經(jīng)過MC 腔后,其反射激光攜帶腔長(zhǎng)有關(guān)信息,將反射光入射RPD 進(jìn)行微弱調(diào)制信號(hào)探測(cè),通過同頻射頻信號(hào)解調(diào)出誤差信號(hào),實(shí)現(xiàn)極微弱信號(hào)提取,將調(diào)制深度設(shè)置為0.055,自研鏈路誤差信號(hào)信噪比為5.088@10 μW,34.933@50 μW 及58.7@100 μW,商用鏈路的信噪比為1.612@10 μW,24.59@50 μW及34.8@100 μW,自研鏈路在微弱信號(hào)調(diào)制及提取等方面有優(yōu)勢(shì).

此極微弱信號(hào)提取鏈路經(jīng)過比例積分微分參數(shù)優(yōu)化提升整個(gè)反饋控制環(huán)路性能及穩(wěn)定性,為制備高穩(wěn)定量子光源及超穩(wěn)激光等領(lǐng)域提供關(guān)鍵器件及技術(shù)途徑;此外,低損諧振回路也可應(yīng)用在聲光調(diào)制器及電光振幅調(diào)制器中,實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)功耗、高增益光電功能器件,推動(dòng)光電調(diào)制、光電探測(cè)、光電反饋及量子精密測(cè)量等多領(lǐng)域發(fā)展,并帶動(dòng)光電材料等上下游相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品性能提升.